Przejazd do hali

Wybór rosyjskich napędów halowych
Napęd American Hall w eksploatacji (Xenon)

Napęd Hall lub Halla napędowy ( angielski Silnik Halla , Hall Thruster ) jest jon strumieniowy , w którym pole magnetyczne zwiększa efektywność w zapobieganiu elektronów przed dotarciem do anody . Dzięki temu typowi źródła jonów możliwe są wysokie wydajności ciągu i długa żywotność, nawet przy dużych mocach do zakresu 100 kW. Jednak w przypadku silników odrzutowych stosowanych wcześniej w statkach kosmicznych dostępnych było tylko kilka 100 do 1000  W , co daje siły ciągu od 10 do 100  mN .

Podobnie jak w przypadku innych silników jonowych, ksenon jest zwykle używany jako masa nośna , której jony dodatnie są przyspieszane przez pole elektryczne do prędkości od 10 do 80 km/s.

historia

Badania i rozwój napędów jonowych sięgają lat 60-tych, zwłaszcza w USA i Związku Radzieckim. Podczas gdy w USA przeprowadzano eksperymenty z siatkowymi źródłami jonów , kaliningradzka firma FAKEL doprowadziła napęd z efektem Halla do punktu, w którym był gotowy do lotu. Od czasu pomyślnego pierwszego użycia w 1971 roku na satelicie METEOR ponad 50 satelitów zostało wyposażonych w napędy firmy FAKEL.

W okresie zimnej wojny, a zwłaszcza po otwarciu żelaznej kurtyny , technologia napędu Halla została wyeksportowana do świata zachodniego i rozwoju we Francji ( SNECMA ), Włoszech ( Sitael , dawniej Alta) i USA ( Busek , Aerojet , JPL , NASA). oraz Laboratoria Badawcze Sił Powietrznych Stanów Zjednoczonych ) przejęły ją częściowo w zastosowaniach lotniczych i marketingu komercyj- nym. . Dzięki SMART-1 , pierwszy europejski napęd Halla PPS 1350 został z powodzeniem wykorzystany w misji lotniczej w 2003 roku . Pierwszy lot próbny amerykańskiego napędu Halla (Busek) odbył się w 2006 roku, pierwsza amerykańska aplikacja lotnicza z takim napędem (Aerojet) w 2010 roku. W krajach niemieckojęzycznych badania nad napędami Halla prowadzono w DLR Stuttgart w 1960 i 1970, ale nie są to obecnie znane działania badawczo-rozwojowe.

Również w Azji Wschodniej, zwłaszcza w Japonii, napędy Halla były badane i rozwijane od lat 80. XX wieku. W 2012 r. Chiny przetestowały napęd na satelicie w technologii Shijian 9A , a Korea Południowa w 2013 r. przeprowadziła jazdę próbną na stacjach STSAT 3 i DubaiSat 2 .

NASA sfinansowała rozwój wysokowydajnych efekt Hall suwakami na Aerojet Rocketdyne 2016-2019 z 67 milionów dolarów amerykańskich.

Układ i funkcja

Na początku różne grupy badawcze eksperymentowały z podobnymi projektami, dla których ustalono różne nazwy:

  • Napęd z szerokim kanałem przyspieszenia: pol. Stacjonarny ster strumieniowy plazmowy (SPT), rosyjski стационарный плазменный двигатель (СПД). Alternatywne nazwy to francuskie Propulsion Plasmique Stationaire (PPS) lub angielskie. Typ warstwy magnetycznej (niemiecki napęd warstwy magnetycznej )
  • Napęd z wąskim kanałem przyspieszenia: pol. Strumieniowy z anody warstwy (TAL), rosyjski двигатель с анодным слоем (ДАС)
Przekrój przez napęd SPT Hall

Oba typy mają wspólną pierścieniową szczelinę, która jest otwarta z jednej strony, która w TAL tworzy całkowicie metalową wydrążoną anodę. W SPT anoda ograniczona jest do podstawy kanału, natomiast ściany boczne są ceramiczne, m.in. B. z azotku boru . Wybór materiału ma decydujące znaczenie dla żywotności silnika. Gaz służący jako masa podtrzymująca dozowany jest na dnie kanału. Kanał jest otoczony koncentrycznie przez system magnesów, który często jest tworzony przez cewki, ale czasami stosuje się również magnesy trwałe. Pole magnetyczne penetruje kanał w przybliżeniu w kierunku promieniowym.

Elektrony są emitowane z podłączonej zewnętrznie katody . Ze względu na ładunek kosmiczny w dużej mierze podążają za wiązką jonów i neutralizują ją. Mniejsza część jest przyciągana do anody przez napięcie przyspieszające. Pole magnetyczne kieruje je na orbity kołowe przed i w kanale, przy czym prędkość orbitalna elektronów jest tak regulowana, że ​​siły elektrostatyczne i siły Lorentza po prostu się kompensują (jak w przypadku efektu Halla , stąd nazwa silnika) . Pole elektryczne istnieje między anodą a ładunkiem kosmicznym krążących elektronów. Poprzez jonizację uderzeniową dodatkowe wolne elektrony i jony. Po krótkim spadku w kierunku anody elektrony wtórne mają prędkość po orbicie kołowej, a straty energii uderzających elektronów są również kompensowane przez dryf w kierunku anody. Fakt, że prąd dryfu jest stosunkowo niski, ma duże znaczenie dla sprawności energetycznej silnika. Dużo wyższy prąd pierścieniowy jest ważny dla jak najpełniejszej jonizacji masy nośnej, ponieważ podczas pracy w próżni gęstość gazu jest zbyt niska, aby kilka jonów mogło unieść gaz obojętny przez zderzenia.

Pole elektryczne przyspiesza osiowo jony poza szczelinę. Ze względu na tysiące razy większą masę, ich prędkość jest znacznie mniejsza niż elektronów, tak że prawie nie wpływają na pole magnetyczne. Niemniej jednak prędkość wyjściowa od 10 do 80 km / s jest znacznie wyższa niż w przypadku konwencjonalnych silników chemicznych.

Wieloletnia optymalizacja zaowocowała modelami lotniczymi o sprawności ciągu powyżej 50%, dlatego zastosowanie tych silników jest tak atrakcyjne. W modelach eksperymentalnych osiągnięto już poziomy wydajności do 75%.

literatura

  • Dan M. Goebel i in.: Podstawy napędu elektrycznego - silniki typu Ion i Hall. Wiley, Hoboken 2008, ISBN 978-0-470-42927-3 .

linki internetowe

Indywidualne dowody

  1. ^ NASA pracuje nad poprawą słonecznego napędu elektrycznego do eksploracji kosmosu. NASA, 19 kwietnia 2016, dostęp 27 kwietnia 2016 .